2 - 2008

Моделирование и технология 3D-сканирования для проектирования промышленных объектов

Дмитрий Малиновский, Дмитрий Евтеев

Полевые работы

Камеральный этап

Моделирование

Проект создания 3D ГИС промышленного объекта

Сегодня предприятия разных отраслей промышленности столкнулись с необходимостью реконструкции, модернизации и расширения производства. Однако реализация подобных проектов зачастую не представляется возможной, так как точная проектная документация либо полностью отсутствует, либо устарела и не соответствует современным требованиям. Тем более что сегодня все большее количество проектов выполняется в трехмерной среде и простые плоские чертежи уже не являются достаточной основой для проектирования.

Территория промышленной площадки

Территория промышленной площадки

Данная проблема может быть решена с помощью современных методов съемки промышленных объектов, применяемых в геодезии, например эффективной технологии наземного лазерного сканирования (НЛС). В результате использования метода НЛС может быть получена точечная модель пространства, представляющая собой съемку с высокой степенью дискретности и точности. Эти данные, совмещенные с результатами инвентаризации, составляют информационную основу для проведения реконструкции промышленных предприятий. Итоговым представлением материалов также могут быть отдельные чертежи (планы, профили), трехмерная модель в САПР или же в виде геоинформационной системы (ГИС) предприятия, отражающей общую картину состояния технологического объекта.

Процесс создания ГИС предприятия состоит из нескольких этапов, выполнение которых в зависимости от сложности промышленных территорий может занимать разное время. В данной статье будут подробно описаны все стадии создания трехмерной модели промышленного предприятия и ее интеграции с ГИС.

Полевые работы

Первый и, пожалуй, наиболее важный этап процесса создания модели предприятия — это выполнение полевых работ на самом объекте. Метод получения данных, применяемый на этом этапе, — технология наземного лазерного сканирования — позволяет в короткие сроки получить трехмерное изображение объекта в виде дискретных точек как с пространственными координатами (x, y, z), так и с качественными характеристиками поверхности (интенсивность поглощения света, цвет). В отличие от традиционных геодезических измерений, при проведении работ лазерным сканером становится возможным отображение объекта в целом, что позволяет наиболее полно отразить его в модели. Это возможно благодаря точности позиционирования и плотности измерений. Высокая скорость съемки лазерного сканера (до нескольких тысяч и даже десятков тысяч измерений в секунду) и встроенный сервопривод позволяют сократить время полевых работ и свести к минимуму влияние человеческого фактора при измерениях. Также важным преимуществом использования технологии на этом этапе является съемка недоступных или труднодоступных объектов промышленных предприятий за счет того, что лазерные сканеры ведут съемку на значительном расстоянии в безотражательном режиме.

В начало В начало

Камеральный этап

Технология обработки данных лазерного сканирования еще нова и продолжает развиваться. Для реализации своих проектов компания НАВГЕОКОМ использует программный комплекс Trimble, в среде которого можно проводить операции по регистрации полевых данных, моделированию объектов и оформлению конечных материалов.

Облако точек, полученное в результате сканирования

Облако точек, полученное в результате сканирования

Для получения конечного продукта задействован комплекс программ, включающий:

  • Real Works Survey (RWS) и 3Dipsos — специализированные программы, предназначенные для обработки данных лазерного сканирования;
  • Autodesk Inventor и Autodesk Сivil 3D — программные продукты для трехмерного проектирования.

Для первичной обработки данных наземного лазерного сканирования используется программа RWS. В ней производится регистрация (геопривязка) всех «облаков точек» — приведение данных сканирования с разных станций в единую систему координат. После того как все «облака точек» (сканы) сшиты между собой, производится оценка качества геопривязки. Для этого в программе RWS создаются группы сечений в трех перпендикулярных плоскостях. По сечениям оцениваются расхождения между сканами, которые не должны превышать допустимой по проекту погрешности. Помимо этого визуально проверяется полнота (достаточность) данных сканирования для последующего моделирования объектов.

В начало В начало

Моделирование

Процесс моделирования может проходить в среде как RWS, так и 3Dipsos. С недавнего времени в RWS появился специальный модуль для моделирования. Выполнение операций по созданию геометрических объектов реализовано в нем очень просто и эффективно, что позволяет выполнять работы быстрее, чем при использовании 3Dipsos. Преимущества последнего состоят в том, что это ПО позволяет моделировать объекты в соответствии с определенными параметрами, соответствующими ГОСТам. Применение данного продукта зачастую является необходимым условием для выполнения работ.

Функциональные возможности программ позволяют выполнять моделирование несколькими способами, что очень важно для промышленных площадок, где плотность объектов крайне высока и многие из них труднодоступны.

Фрагмент плоского генплана предприятия

Фрагмент плоского генплана предприятия

 

Моделирование участка трубопровода

Моделирование участка трубопровода

Моделирование всех объектов производится по их фактическим размерам и положению. Для того чтобы точно показать деформацию, отдельные объекты моделируются не в соответствии с российскими ГОСТами.

В результате совместной работы в программах 3Dipsos (или RWS) и Autodesk Inventor модель всего объекта экспортируется в приложение AutoCAD.

На заключительном этапе работ по созданию трехмерной модели в программе AutoCAD все объекты разносятся по слоям согласно техническому заданию. Каждому слою присваивается определенный цвет.

Различные элементы конструкций и оборудования размещаются в отдельных файлах в соответствии с требованиями заказчика. Разбиение трехмерной модели необходимо для эффективной работы системы, а также для того, чтобы проектировщики могли использовать не всю модель, а только необходимую в момент проектирования ее часть, которая подгружается как ссылка.

Когда трехмерная модель готова, не составляет никакого труда преобразовать ее программными средствами в необходимый набор чертежей, разрезов и сечений, которые являются составной частью стандартной проектной документации. Таким образом, эту модель можно использовать как для организаций, применяющих трехмерное проектирование, так и для тех, кто проектирует на плоскости.

Данная модель становится основным источником информации для создания 3D ГИС. После завершения процесса моделирования объекты, созданные в среде Civil, могут быть перенесены в среду AutoDesk Map3D. Данный комплекс позволяет не только представить объекты в пространстве, но и присвоить им атрибутивную информацию, доступную по запросу пользователя. Как правило, точность конечной модели составляет 1-2 см.

В начало В начало

Проект создания 3D ГИС промышленного объекта

В 2007 году ЗАО НПП «НАВГЕОКОМ» завершил работы над проектом по подготовке инженерной документации на основе геодезической съемки, выполненной методами лазерного сканирования. На базе данных лазерного сканирования, полученных с объекта, специалисты компании создали трехмерную ГИС промышленной площадки, которая была представлена на конкурсе Autodesk «Реализуй и выиграй!» и заняла призовое 2-е место.

На полевом этапе работ было выполнено развитие опорной геодезической сети на каждом из объектов, что послужило основой для всех последующих работ. Обоснование выполнялось с привлечением GPS-технологий, что позволило в кратчайшие сроки построить достаточную по точности сеть методом статических наблюдений.

Фрагмент трехмерной модели промышленной площадки

Фрагмент трехмерной модели промышленной площадки

Данное обоснование было использовано как опорное для привязки сфер. Процедура привязки и координирования сфер проводилась при помощи многократных измерений тахеометром с уже известного базиса. Для контроля также брались измерения на одну и ту же сферу с различных пунктов. Такой принцип работы позволил до минимума снизить вероятность случайной ошибки и повысил точность позиционирования сфер.

После координирования сфер в пространстве и составления каталога их координат инженеры компании приступили к лазерному сканированию территории. Оно велось с перекрытием сканов, чтобы исключить возможность пропуска объектов. Сферы сканировались с максимальной плотностью. Для ведения работ использовался лазерный сканер Trimble GX.

По завершении процедуры сканирования были получены разрозненные «облака точек», содержащие, помимо точек снимаемых объектов, стандартные сферы, координаты которых были определены заранее (не менее пяти сфер на скан). Это позволило не только объединить сканы в одно облако, но и оценить общую ошибку позиционирования.

Трехмерная ГИС предприятия в программе AutoDesk Map3D

Трехмерная ГИС предприятия в программе AutoDesk Map3D

Это общее облако точек стало источником данных для камеральной работы. Помимо координат каждая точка обладала такими характеристиками, как интенсивность отражения и цвет, что во многом способствовало точности распознавания и моделирования объектов.

После получения общего облака объектов работа по проекту разделилась на два направления: создание трехмерной модели и подготовка инженерной документации (планы территории, разрезы промышленных объектов).

Нанесение обстановки на планы и построение разрезов велось общими методами дешифрования, схожими с дешифрованием аэрофотоснимков. Данные процедуры осуществлялись в среде продукта Realworks Survey, а затем для окончательного оформления были перенесены в среду Autodesk Civil 3D. Отдельно велось моделирование подстилающей поверхности. Средства RealWorks Survey позволяют отделить именно точки поверхности грунта и построить по ним триангуляционную модель рельефа. Эта модель использовалась для построения изолиний. Она же в виде базовой поверхности применялась при создании трехмерной модели.

Построение трехмерной модели также велось на первом этапе в среде RealWorks Survey в модуле моделирования. Объекты, представленные на промышленной территории, моделировались как совокупность элементарных конструкций: конусы, цилиндры, кубы и пр. Подобный подход позволяет составлять из отдельных элементов сложные модели объектов, присутствующих на промышленных площадках, с высокой степенью детальности.

Таким образом, были получены модели объектов — цистерны, кабельные линии, эстакады и пр. Окончательное оформление велось в Autodesk Civil 3D.

Полученная модель отражала пространственное расположение и форму объектов. Для лучшей читаемости объекты были разнесены по тематическим слоям с разными цветами.

Заключительный этап включал добавление смоделированным объектам их эксплуатационных характеристик и создание базы данных. Для этого модель из среды Autodesk Civil3D была перенесена в среду Autodesk Map3d. Программные средства этого продукта позволяют определить атрибуты объекта и включить их в базу данных. Подобная операция была проведена с объектами трехмерной модели. Это позволило не только полностью отразить объект в модели, но и определить его характеристики.

Полученная ГИС позволит заказчику оперативно управлять любыми изменениями на объекте. Каждая правка, вносимая в базу данных, будет отображаться в 3D ГИС, благодаря чему она всегда будет актуальна.


Дмитрий Малиновский

Главный технолог отдела производства работ компании НАВГЕОКОМ.

Дмитрий Евтеев

Инженер-технолог отдела производства работ компании НАВГЕОКОМ.

В начало В начало

САПР и графика 2`2008